楊曉紅，王 永

(1.山西焦煤集團(tuán)公司 通風(fēng)部， 山西 太原 030024； 2.西山煤電集團(tuán)公司 屯蘭礦， 山西 古交 030200)

瓦斯抽采是礦井瓦斯治理的主要手段，而松軟煤層打鉆抽采一直是瓦斯治理的技術(shù)難題，成為制約礦井安全生產(chǎn)的瓶頸。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)松軟煤層鉆孔塌孔、抱鉆以及噴孔問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。廉有軒等[1]提出煤層鉆孔失穩(wěn)機(jī)理，認(rèn)為施工軟煤鉆孔排渣不力導(dǎo)致堵孔，孔內(nèi)瓦斯壓力驟增形成噴孔，堵孔后瓦斯壓力超過(guò)鉆機(jī)給進(jìn)壓力形成頂鉆，孔壁受打鉆鉆桿振動(dòng)而崩塌，垮孔、堵孔致使破碎煤體箍緊鉆桿、鉆頭形成卡鉆。梁運(yùn)培、王振等[2-3]基于瓦斯對(duì)煤體的拉伸破壞作用和鉆孔孔壁失穩(wěn)機(jī)理，提出噴孔機(jī)理，認(rèn)為應(yīng)力峰值強(qiáng)度后區(qū)域最易塌孔噴孔。應(yīng)力環(huán)境是導(dǎo)致鉆孔失穩(wěn)的重要條件，李志華等[4]認(rèn)為側(cè)壓系數(shù)、巖體力學(xué)強(qiáng)度、初始應(yīng)力、鉆孔圍壓和圍巖力學(xué)強(qiáng)度是影響鉆孔穩(wěn)定性的重要因素。翟成等[5]認(rèn)為影響巷道圍巖應(yīng)力和鉆孔二次應(yīng)力是煤層鉆孔孔壁弱結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生破壞失穩(wěn)、塌孔和成孔難的主要根源。徐勝軍[6]認(rèn)為孔壁處的拉伸破壞和鉆孔周圍煤體的剪切破壞造成了鉆孔失穩(wěn)。孫玉寧等[7]認(rèn)為突出煤層存在“鉆穴”導(dǎo)致塌孔、抱鉆以及噴孔，“鉆穴”的存在是松軟含瓦斯煤體鉆進(jìn)困難的主要原因。在諸多學(xué)者理論研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)松軟煤層打鉆抽采遇到的問(wèn)題，引進(jìn)寬葉淺槽螺旋鉆桿壓風(fēng)排渣和全程下套管護(hù)孔工藝并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行研究改進(jìn)，提出了施工流程和技術(shù)要求，在屯蘭礦全面推廣應(yīng)用。

1 松軟煤層鉆孔動(dòng)力現(xiàn)象作用機(jī)理

1.1 工程背景

屯蘭礦是山西焦煤集團(tuán)公司骨干生產(chǎn)礦井，生產(chǎn)能力450萬(wàn) t/a，為煤與瓦斯突出礦井。該礦井位于山西省古交市西南，井田面積73.34 km2，井田內(nèi)含煤18層，為山西組和太原組，其中主采2#、8#、9#煤層均為近水平突出煤層，礦井采用七進(jìn)五回方式，總風(fēng)量44 700 m3/min,礦井絕對(duì)瓦斯涌出量260 m3/min，井下瓦斯抽采量176 m3/min(不含地面煤層氣抽采量)，瓦斯抽采率69%. 主要有本煤層預(yù)抽、上下鄰近層抽采、采空區(qū)抽采等綜合瓦斯抽采方式。隨著生產(chǎn)布局向深部發(fā)展，煤層埋深增加，地質(zhì)條件復(fù)雜。尤其在南五(2#)、南翼下組生產(chǎn)盤(pán)區(qū)(8#)瓦斯含量賦存高、壓力大，瓦斯含量分別為13 m3/t、14.5 m3/t，瓦斯壓力分別為2.3 MPa、1.9 MPa，煤層松軟，f值僅為0.3～0.5，打鉆塌孔、抱鉆、噴孔、斷鉆桿現(xiàn)象嚴(yán)重，同時(shí)鉆孔深度和成孔質(zhì)量難以保證，嚴(yán)重制約著瓦斯治理工程的實(shí)施，給礦井抽、掘、采銜接和安全生產(chǎn)帶來(lái)很大影響。

1.2 松軟煤層鉆孔動(dòng)力現(xiàn)象作用機(jī)理分析

1) 鉆孔施工過(guò)程動(dòng)力現(xiàn)象。

在鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆孔周圍煤體失穩(wěn)蠕變，松軟煤體因應(yīng)力釋放而產(chǎn)生縮徑、垮落。在傳統(tǒng)工藝中水作為排渣的動(dòng)力介質(zhì)，排渣的同時(shí)動(dòng)力水也沖刷孔壁煤體，加劇了煤體的蠕變、垮塌；對(duì)于鉆孔產(chǎn)生的縮徑變形，普通圓鉆桿不具備切削功能、排渣功能也較弱，煤與水混合后黏度增加，排渣不暢導(dǎo)致堵孔，引發(fā)塌孔、堵孔、噴孔、抱鉆、斷鉆桿等現(xiàn)象。

2) 鉆孔抽采過(guò)程動(dòng)力現(xiàn)象。

一方面，在抽采過(guò)程中鉆孔內(nèi)殘存的煤渣在抽采負(fù)壓的作用下運(yùn)移堆積；另一方面，鉆孔周圍煤體因在應(yīng)力作用下以及松軟煤體、瓦斯以及煤體水分在抽采作用下失穩(wěn)蠕變進(jìn)而造成垮塌，阻斷了瓦斯抽采通道，形成了瓦斯抽采空白區(qū)，被阻斷的鉆孔也成了高壓瓦斯包，為安全生產(chǎn)埋下了嚴(yán)重隱患。

基于上述機(jī)理，松軟煤層打鉆抽采必須做好兩方面工作：鉆進(jìn)過(guò)程中減少對(duì)鉆孔孔壁的擾動(dòng)、及時(shí)干凈排出煤渣；正常抽采過(guò)程中，疏通排出鉆孔積渣，防止鉆孔堵塞，形成較好的瓦斯抽采通道。

2 松軟煤層鉆進(jìn)抽采工藝

2.1 工作原理

隨著鉆頭切割煤體向前鉆進(jìn)，利用壓風(fēng)與寬葉淺槽螺旋鉆桿共同作用，實(shí)現(xiàn)連續(xù)排屑和冷卻鉆頭的目的。壓風(fēng)通過(guò)鉆桿內(nèi)孔、鉆頭到達(dá)孔底在鉆孔內(nèi)形成高速氣流，同時(shí)淺槽螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)形成“煤屑螺旋輸送帶”，在壓風(fēng)與螺旋鉆桿的共同作用下連續(xù)不斷地將孔內(nèi)鉆屑排出孔外。在遇有鉆孔收縮垮塌的情況下，螺旋鉆桿起到了“切削”作用，壓風(fēng)實(shí)際發(fā)揮了“疏通劑”的作用，懸浮煤屑在壓風(fēng)作用下被高速風(fēng)流吹出，塌孔造成的大粒徑煤塊在螺旋鉆桿的作用下切碎排出，解析的瓦斯隨之排出，高壓“瓦斯氣體包”自然釋放，避免了鉆孔堵孔、抱鉆和噴孔事故的發(fā)生，原理圖見(jiàn)圖1. 此外，寬葉淺槽螺旋壓風(fēng)排渣打鉆還避免了傳統(tǒng)水力排渣工藝存在的鉆孔煤泥沉積以及滲入煤體裂隙封堵瓦斯通道影響煤層瓦斯解析的問(wèn)題，最終提高鉆孔瓦斯抽采效果。

圖1 寬葉淺槽螺旋鉆桿壓風(fēng)排渣打鉆原理圖

2.2 技術(shù)要求

1) 壓風(fēng)合理參數(shù)的確定。根據(jù)氣力輸送原理，為實(shí)現(xiàn)正常排渣，孔內(nèi)風(fēng)速必須大于鉆渣的最小沉降速度Vt和孔內(nèi)不阻塞的最小風(fēng)速Vb. 據(jù)此計(jì)算確定需要的風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)，確保足夠的排渣能力。屯蘭礦根據(jù)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用效果，最終確定打鉆壓風(fēng)風(fēng)壓不低于0.55 MPa.

(1)

式中：

V—孔內(nèi)風(fēng)速，m/s;

Vt—煤巖顆粒的沉降速度，m/s;

ρs—鉆屑密度，kg/m3;

ρa(bǔ)—空氣密度，kg/m3;

ds—鉆屑的平均粒徑，m；

Vb—滿足不阻塞條件的最小風(fēng)速，m/s;

w—單位時(shí)間的產(chǎn)渣量，kg/s.

2) 寬葉淺槽螺旋鉆桿參數(shù)。壓風(fēng)排渣寬葉淺槽螺旋鉆進(jìn)所要求的鉆機(jī)與傳統(tǒng)鉆機(jī)要求基本一致，主要對(duì)鉆桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，寬葉淺槽螺旋鉆桿見(jiàn)圖2. 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況，既要滿足鉆桿內(nèi)孔的直徑要求又要保證鉆桿有足夠的強(qiáng)度，在對(duì)鉆桿的材料提出要求的基礎(chǔ)上，確定寬葉淺槽螺旋鉆桿的具體參數(shù)：直徑為113 mm的三翼或四翼鉆頭、73 mm鉆桿，鉆桿內(nèi)孔直徑為25 mm、螺旋高度2 mm、寬度19 mm、螺距250 mm.

圖2 寬葉淺槽螺旋鉆桿圖

2.3 安全措施及注意事項(xiàng)

淺槽螺旋鉆桿壓風(fēng)排渣工藝屬于干式打鉆，如果操作不當(dāng)易引燃鉆孔內(nèi)瓦斯造成安全事故。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中加強(qiáng)以下幾方面管理：1) 采用壓風(fēng)排渣工藝首先要保證足夠的風(fēng)壓，并使用配套的寬葉淺槽螺旋鉆桿，保證排渣和冷卻效果。2) 打鉆過(guò)程中要密切關(guān)注排渣情況及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，每加一根鉆桿都要先保證壓風(fēng)返出后再正常鉆進(jìn)，鉆孔深度達(dá)標(biāo)后待煤渣基本排凈后再關(guān)風(fēng)加鉆桿。若發(fā)現(xiàn)鉆孔返風(fēng)小、鉆芯粒徑變大、排渣困難時(shí)，證明鉆孔有垮塌現(xiàn)象、孔內(nèi)煤渣積聚或鉆孔截面收縮變形造成阻塞，應(yīng)停止鉆進(jìn)，邊退鉆桿邊用壓風(fēng)排渣，直至返風(fēng)量、排芯量恢復(fù)正常后再鉆進(jìn)。3) 配備足夠安全設(shè)施。打鉆處應(yīng)裝備CH4、CO傳感器，同時(shí)鉆機(jī)應(yīng)安裝自動(dòng)風(fēng)水切換裝置與CO傳感器聯(lián)鎖，并配備防滅火器材。打鉆過(guò)程中發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)CO涌出等異常情況應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，自動(dòng)切換到壓水狀態(tài)進(jìn)行灌水處理。4) 寬葉淺槽螺旋鉆桿壓風(fēng)排渣打鉆工藝不適應(yīng)于巖層中鉆進(jìn)，遇巖層或地質(zhì)構(gòu)造，應(yīng)停止鉆進(jìn)重新開(kāi)孔，嚴(yán)禁強(qiáng)行施工。

3 松軟煤層鉆孔維護(hù)管理

3.1 常規(guī)維護(hù)管理

1) 標(biāo)準(zhǔn)化封孔聯(lián)孔。鉆孔封孔聯(lián)孔必須有利于瓦斯抽采氣流的順暢，鉆孔必須安裝放水排渣裝置，鉆孔連管管徑、長(zhǎng)度必須合理，不能形成局部阻力。

2) 日常放水排渣應(yīng)采用人工或自動(dòng)放水器定時(shí)進(jìn)行，保證正常抽采。

3) 加強(qiáng)檢查及時(shí)疏通鉆孔。發(fā)現(xiàn)鉆孔堵塞必須及時(shí)進(jìn)行疏通清理，對(duì)于易塌孔區(qū)段可利用鉆機(jī)疏通清理。

3.2 抽采鉆孔下篩管護(hù)孔

1) 常規(guī)下篩管。

巷道周圍15～20 m為圍巖松動(dòng)圈、20～50 m為應(yīng)力集中區(qū)，易于塌孔，可在打鉆完成后對(duì)鉆孔50 m范圍人工下篩管護(hù)孔，保持對(duì)鉆孔全程抽采。篩管選用d50～75 mm礦用PE或PVC管，篩管花眼孔徑8～12 mm，采用承插連接方式。

2) 全程下套管護(hù)孔抽采工藝。

對(duì)于煤層特別松軟的區(qū)域，需要在抽采鉆孔內(nèi)下花眼套管，花眼套管選用d25～30 mm礦用PVC管，眼徑6～8 mm. 具體工序：鉆孔到位后不退鉆，從鉆桿內(nèi)通孔中下入花眼套管，套管頂端安裝特制的懸掛裝置，當(dāng)套管輸送到鉆頭部位時(shí)，借助外力將專用鉆頭的內(nèi)芯頂開(kāi)，懸掛裝置自動(dòng)打開(kāi)卡在鉆孔壁上，然后逐根推出鉆桿，而花眼套管留在孔內(nèi)，作為長(zhǎng)期瓦斯抽采的通道，技術(shù)示意見(jiàn)圖3. 從抽采效果講，裸鉆孔經(jīng)常疏通保持通暢較下篩管的鉆孔抽采效果好，對(duì)易塌孔段下篩管較全程下篩管的鉆孔抽采效果好，下篩管的鉆孔應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)抽采時(shí)間。

圖3 抽采鉆孔快速下套管技術(shù)示意圖

4 松軟煤層鉆進(jìn)抽采技術(shù)在屯蘭礦的應(yīng)用

屯蘭礦南五盤(pán)區(qū)2#煤12507工作面施工回采預(yù)抽鉆孔過(guò)程中，采用寬葉淺槽螺旋鉆桿壓風(fēng)排渣打鉆工藝配套篩管護(hù)孔工藝，同比盤(pán)區(qū)內(nèi)相鄰的12505工作面采用普通鉆桿濕式打鉆工藝及裸孔抽采工藝，在打鉆施工現(xiàn)場(chǎng)安全系數(shù)高,抽采過(guò)程中鉆孔管理、抽采效果好，回采期間瓦斯管控效果顯著。

由于寬葉淺槽螺旋鉆桿減少了對(duì)孔壁的擾動(dòng)，同時(shí)壓風(fēng)工藝強(qiáng)化了排渣速度，解決了濕式工藝對(duì)煤層軟化作用。相比于12505工作面，12507工作面瓦斯噴孔數(shù)量由120次下降到5次，下降了95.83%，鉆孔成孔率由60%提高到90%，提高了50%，鉆孔有效深度由60 m提高為150 m，見(jiàn)表1.

表1 松軟煤層鉆進(jìn)抽采技術(shù)應(yīng)用效果對(duì)比表

煤層水分在抽采負(fù)壓作用下從煤層中解吸，結(jié)合松軟煤層自身特性，在后期抽采過(guò)程中鉆孔中部塌孔堵孔頻繁發(fā)生，給鉆孔維護(hù)帶來(lái)一定難度及安全隱患。因此采取篩管護(hù)孔工藝，全程送入孔徑小于鉆孔的花眼護(hù)管，保證后期瓦斯抽采通道通暢，相比于12505工作面鉆孔平均濃度由25%提高到40%，提高了60%，鉆孔流量衰減較慢，百米鉆孔平均流量由0.008 m3/min提高到0.014 m3/min，提高了75%. 鉆孔流量變化曲線見(jiàn)圖4.

圖4 12505與12507工作面鉆孔流量變化曲線對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)比后期回采期間瓦斯管理數(shù)據(jù)，回采前煤體殘余瓦斯含量由7 m3/t下降到5.5 m3/t，下降了21%，工作面配風(fēng)量由1 800 m3/min下降到1 500 m3/min，工作面平均瓦斯?jié)舛瘸掷m(xù)穩(wěn)定在安全范圍。工作面瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖5.

圖5 12505與12507工作面瓦斯?jié)舛茸兓€對(duì)比圖

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)對(duì)松軟煤層鉆孔動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行分析，提出了壓風(fēng)排渣打鉆及下套管護(hù)孔工藝，確定了壓風(fēng)合理參數(shù)及寬葉淺槽螺旋鉆桿參數(shù)，形成了有效的松軟煤層鉆孔現(xiàn)場(chǎng)施工安全措施及維護(hù)管理方案。

2) 屯蘭礦回采預(yù)抽鉆孔施工過(guò)程中，采用了寬葉淺槽螺旋鉆桿壓風(fēng)排渣打鉆工藝配套篩管護(hù)孔工藝，瓦斯噴孔數(shù)量由120次下降到5次，鉆孔成孔率由60%提高到90%，鉆孔有效深度由60 m提高為150 m，鉆孔平均濃度由25%提高到40%，百米鉆孔平均流量由0.008 m3/min提高到0.014 m3/min,瓦斯抽采效果顯著。